通過(guò)捕集制氫PSA解吸氣內(nèi)CO2氣體實(shí)現(xiàn)制氫生產(chǎn)節(jié)能降耗

陳旭東 馬瑞

摘要：本論文以天然氣制氫裝置及CO2 捕集裝置為背景進(jìn)行討論。天然氣制氫裝置PSA解吸氣一般做為制氫轉(zhuǎn)化爐輔助燃料利用。此過(guò)程中約占解吸氣組分50%（體積）的CO2氣體并不參與燃燒反應(yīng)，但依然被加熱到約1000℃，加熱此部分氣體浪費(fèi)了熱源，同時(shí)如果轉(zhuǎn)化爐后續(xù)煙氣余熱回收系統(tǒng)不合理還需能耗降低煙氣外排溫度。本論文討論通過(guò)捕集解吸氣中CO2氣體的方法降低入爐燃燒解吸氣中的無(wú)用組分，最終達(dá)到制氫生產(chǎn)節(jié)能降耗的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：制氫；解吸氣；CO2捕集；節(jié)能降耗

1前言

本論文以已投用的兩套裝置（天然氣制氫裝置及CO2 捕集裝置）為背景，以設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)計(jì)算分析制氫裝置PSA解吸氣做為轉(zhuǎn)化爐燃料氣回收利用前捕集回收掉解吸氣內(nèi)多余CO2組分對(duì)降低制氫裝置能耗的貢獻(xiàn)。論文對(duì)于CO2捕集裝置能耗不做討論，對(duì)于CO2捕集回收后作為商品出售的價(jià)值不做討論。

1.1天然氣制氫裝置簡(jiǎn)介

本制氫裝置是以天然氣為原料，通過(guò)天然氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)，中溫變換反應(yīng)，PSA變壓吸附技術(shù)最終產(chǎn)出純度99.9%以上工業(yè)用氫氣。裝置設(shè)計(jì)加工負(fù)荷11200Nm3/h，產(chǎn)氫量35000 Nm3/h。本裝置PSA解吸氣設(shè)計(jì)量16664 Nm3/h（具體組份見(jiàn)表1）.由于解吸氣中含H2，CH4及CO具有燃燒熱值，所以本裝置流程將解吸氣返回轉(zhuǎn)化爐做為原料燃燒，以節(jié)省轉(zhuǎn)化爐燃料天然氣用量。這也是大部分制氫裝置的流程設(shè)計(jì)。

1.2 CO2 捕集裝置簡(jiǎn)介

CO2 捕集裝置以化學(xué)吸收法為原理，利用低溫下溶劑（MEA）與CO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)將其吸收，加熱時(shí)飽和吸收劑發(fā)生吸收的逆反應(yīng)將 CO2 解吸出來(lái)。該法適用于CO2分壓較低，凈化度 要求高的情況，由于吸收過(guò)程中發(fā)生化學(xué)變化，吸收劑需要加熱才能再生，因此需要一定的能耗。

MEA 的分子式為 NH2CH2OH，胺基具有較強(qiáng)的堿性，與 CO2 反應(yīng)的速度較快，吸 收容量大，廣泛應(yīng)用于凈化裝置中。

CO2 捕集裝置以制氫裝置PSA解吸氣為原料，吸收提取CO2氣體后，解吸氣返回制氫轉(zhuǎn)化爐燃燒，CO2氣體壓縮液化后供油田驅(qū)油使用。經(jīng)過(guò)CO2 捕集后的解吸氣中CO2氣體含量<10%

2制氫裝置能耗結(jié)構(gòu)分析

本制氫裝置與2012年投產(chǎn)，一直保持正常生產(chǎn)，裝置能耗結(jié)構(gòu)分析以裝置能耗報(bào)表為基礎(chǔ)。現(xiàn)以2017年制裝置能耗年報(bào)進(jìn)行分析見(jiàn)表3

根據(jù)年報(bào)數(shù)據(jù)，氫氣能耗主要來(lái)自用水，用電，燃料天然氣，其中尤以燃料天然氣量為重，占能耗比123%。因此如何降低燃料天然氣的用量，是能否降低制氫裝置能耗的關(guān)鍵。

3設(shè)計(jì)負(fù)荷下制氫PSA解吸氣內(nèi)CO2捕集后，制氫裝置的能耗降低計(jì)算

如上文所述，制氫PSA解吸氣返回轉(zhuǎn)化爐燃燒，但解吸氣中CO2 組份實(shí)際不參與燃燒放熱，同時(shí)還要作為煙氣的一部分被由40℃加熱到1000℃，是極大的熱能浪費(fèi)。通過(guò)CO2捕集后，解吸氣內(nèi)CO2含量降低，由原來(lái)的50%降低至10%。這部分不再作為煙氣被加熱而吸收熱量，本質(zhì)上節(jié)省轉(zhuǎn)化爐燃料氣的用量。以下將以設(shè)計(jì)符合數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，計(jì)算CO2捕集后，轉(zhuǎn)化爐燃料天然氣的理論減少量。

取表1中制氫PSA解吸氣設(shè)計(jì)量：8586.68 Nm3/h，設(shè)為a；取表2中CO2含量：10%，設(shè)為b。設(shè)被捕集的CO2量為c。則計(jì)算得：

C=（1-b）*a=（1-10%）*8586.68=7728.012 Nm3/h

即理論負(fù)荷下，解吸氣如爐前被鋪集的CO2量為：7728.012 Nm3/h

查石油石化工藝計(jì)算圖標(biāo)，CO2在25℃時(shí)的焓值為：Hi（25）=50.834 kcal/kg，在1000℃時(shí)的焓值為：Hi（1000）315.09 kcal/kg換算后得：Hi（25）= 2236.696 kcal/kmol， Hi（1000）13863.96 kcal/ kmol。

根據(jù)焓值計(jì)算把7728 Nm3CO2氣體由25℃加熱至1000℃所需的熱量Q吸為：表4

表4：計(jì)算表

以天然氣熱值8400 kcal/Nm3，則：將7728方CO2由40℃加熱至1000℃所需的天然氣量X為：

X=4011406/8400=477.5 Nm3。

4結(jié)論

根據(jù)計(jì)算，在設(shè)計(jì)符合下，天然氣制氫裝置及CO2 捕集裝置正常運(yùn)行時(shí)，制氫裝置轉(zhuǎn)化爐能夠節(jié)省天然氣477.5 Nm3/h。

5結(jié)束語(yǔ)

以烴類(lèi)化合物制氫的裝置，只收集利用H2是不合算的，應(yīng)該綜合考慮C組分物質(zhì)的回收利用。，其實(shí)C組分回收的優(yōu)勢(shì)還有C產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)利用，C排放指標(biāo)的控制等，是烴類(lèi)化合物化工綜合利用不可缺少的一環(huán)。本文只是從制氫能耗一個(gè)角度分析回收C組分的優(yōu)勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

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[3]《克拉瑪依石化甲醇廠PSA馳放氣13.5萬(wàn)噸/年二氧化碳吸收及7萬(wàn)噸/年液化一期項(xiàng)目可行性研究報(bào)告》中國(guó)昆侖工程公司 2014.10。

[4]汪壽建《天然氣綜合利用技術(shù)》化學(xué)工業(yè)出版社 2004.05。

（作者單位：中石油克拉瑪依石化有限責(zé)任公司）